深能級瞬態譜檢測電子級多晶硅中的痕量Zn元素含量的研究應用

＊支云云 薛心祿,2 王志強 岳玉芳

（1.青海芯測科技有限公司 青海 810000 2.青海省新能源材料與儲能技術重點實驗室 青海 810000）

引言

電子級多晶硅是生產制造半導體硅片最基礎也是最主要的原材料之一，被稱為電子信息產業的“糧食”，其純度需達到11N甚至更高，如此高的純度要求對電子級多晶硅的制備技術、檢測技術和質量管理都提出了極高的要求。雖然我國電子級多晶硅產品生產技術指標已經能夠比肩國際一流水平，但國內大多數能夠生產高純電子級多晶硅企業的產品質量穩定性仍亟待提升。究其主要原因有電子級多晶硅生產過程雜質控制與消除方法和國外仍存有差距、雜質對晶圓品質的影響機理方面的研究不夠深入、產品檢測方面的技術水平需要進一步提升等。

當前，能夠對電子級多晶硅中的微量雜質元素進行檢測的設備眾多，根據檢測范圍的不同，主要分為紫外可見分光光度法、原子吸收光譜法、電感耦合等離子體發射光譜（ICP-AES）法、電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）法、高分辨電感耦合和等離子體質譜（HR-ICP-MS）法等，按照等級要求的不同，高分辨電感耦合和等離子體質譜（HR-ICP-MS）法檢測設備相較其它檢測方法靈敏度更高，且可同時檢測多種元素，檢測效率更高效，但此方法無法有效分析電子級多晶硅中雜質元素的存在形式、缺陷的深能級及界面態。為了解決此問題，本文主要研究用深能級瞬態譜技術檢測電子級多晶硅中的痕量雜質，同步分析雜質元素的存在形式，解決生產產品雜質元素來源及控制方法，為電子級多晶硅生產企業提高產品質量提供經驗和思路，同時也可進一步推動電子級多晶硅產品和其他中間產品在下游高端市場的應用，保障我國集成電路產業安全與可持續發展。

1.實驗部分

(1)實驗儀器

德國PhysTech公司FD1030。

(2)樣品制備

傳統深能級測試樣品采用上電極為肖特基接觸，下電極是歐姆接觸電極。但對于較厚高阻的樣品可以采用雙肖特基結進行制樣。基本原理是兩個串聯的肖特基電容，電容由較小電容決定，因此當C2＞C1時，整體的電容約等于C1也就是較小的電容。

圖1 樣品制備示意圖

圖2 實際樣品制備

實際測試過程中上電極采用In金屬高溫熔化成為肖特基接觸，電極直徑約5mm，下電極采用ZnHg合金形成肖特基接觸，樣品直徑約為20mm，厚度約為2mm。

(3)測試條件

電子級多晶硅樣品測試深能級采用脈沖變溫測試方式，測試模式采用電容測試模式。

(4)測試流程及方法

①變溫深能級測試的流程是首先找準單個溫度點的瞬態參數，也就是下圖中右側區域的參數，單個溫度點的參數應該滿足一個標準的RC放電曲線，然后按照圖中的參數，進行變溫掃描選定溫度區域內的所有瞬態，程序會根據所有瞬態進行進一步擬合得到能級的位置和濃度等信息。

②電容深能級測試模式，進行變溫深能級測試之前，首先要找準用于激發的深能級信號的參數。因此首先進行瞬態測試。其瞬態如下圖所示。

圖3 300K對應瞬態測試曲線

瞬態參數說明：

Tau：不同參數擬合下的放電常數；

NT：測試到的絕對的缺陷密度；

NTS：測試到的相對的缺陷密度，也就是上表面電極下的缺陷密度；

Tauclass：瞬態曲線對進行擬合計算出來的當前數據的等級，40以下不可信。

③光激發方式測試：電子級多晶硅塊屬于電阻較高且缺陷密度較小的材料，可采用光激發的方式進行嘗試。也就是光生深能級瞬態譜（Optical-DLTS）用于增加信號的強度。激發光光源為一個532nm綠光LD激光二極管，并結合電脈沖激發兩者共同作用以求最大效果。

2.結果與討論

(1)變溫電容測試結果

(2)變溫電容測試結果分析

從圖4可以看出450K之前沒有發現有效的能夠進行擬合的特征峰，450K之后有巨大下降趨勢，可能是熱激發導致的。由于趨勢在下降過程中沒有結束，因此不能做為擬合依據。實驗結果表明，電子級多晶硅塊的缺陷可能較少，因此進一步增加激發是解決這一問題的可能方法。

圖4 變溫電容測試結果

(3)光激發深能級測試結果

分別測試350K、300K、250K、200K、150K、100K、84K光激發深能級瞬態曲線，結果如圖5～圖11所示。

圖5 350K瞬態曲線

圖6 300K瞬態曲線

圖7 250K瞬態曲線

圖8 200K瞬態曲線

圖9 150K瞬態曲線

圖10 100K瞬態曲線

圖11 84K瞬態曲線

(4)光激發深能級測試結果分析

從圖12～圖14的實驗結果可以看出，采用了光生瞬態譜之后，不同溫度下的瞬態譜都顯示出較好的瞬態特性，但變溫測試結果仍然顯示出較大的噪聲。這說明測試本身并沒有問題，樣品本身確實不存在過多的可以采用深能級瞬態譜進行探測的缺陷。在多次嘗試后，沒有得到有效擬合數據。同時在光激發的條件下，NT的濃度處于1014cm-3。值得指出的是實驗中在137K時發現一個相對略微明顯的峰。隨即調取了該溫度下的瞬態結果。能級位置在導帶下Ec-Et=0.26eV濃度約在2×1014cm-3，推測應該是Zn元素產生的能級。

圖12 變溫光生瞬態深能級

圖13 光生深能級數據圖譜

圖14 137K對應的瞬態

3.結語

本論文研究了利用深能級瞬態譜測試電子級多晶硅中Zn元素含量，完善了芯測公司檢測分析能力，有利于提高新能源分公司電子級多晶硅在國內市場中的競爭力，對我國發展高端電子產業具有重要意義。但在電子級多晶硅生產過程中經常還會檢測出Na、Al、K、Ca、Fe、Cr、Ni、Cu等金屬元素，因此，后續在Zn元素研究測試的基礎上將開展利用深能級瞬態譜測試其他金屬元素含量的工作，進一步確定金屬雜質在多晶硅產品中的含量及存在形式。